專利名稱：一種gnss海洋反射信號接收系統(tǒng)及接收方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種GNSS海洋反射信號接收系統(tǒng)及接收方法。
背景技術(shù)：
隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)研究和應(yīng)用的不斷深入，在海洋探測方面， GNSS的應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展，并產(chǎn)生了以此技術(shù)為基礎(chǔ)的新興學(xué)科-GNSS-R海洋遙感學(xué)。GNSS-R海洋探測技術(shù)利用LEO衛(wèi)星上搭載的GNSS接收機，接收GNSS直射信號和海面反射信號，通過它們之間的時間延遲和相關(guān)函數(shù)波形及其后沿特性進行分析，并結(jié)合海面、 海浪對電波的散射理論，獲取海面平均高度、海面風(fēng)場、浪高、海面鹽度等信息，同時結(jié)合海面反射和前向散射的信息，可以探測到海面風(fēng)速和風(fēng)向信息。與其他海洋遙感技術(shù)相比， GNSS-R采用無源探測方法，不需要發(fā)射設(shè)備，可以實現(xiàn)全球均勻覆蓋，獲取數(shù)據(jù)量大，并且可以全天候工作，不受天氣狀況的影響。因此GNSS-R在海洋遙感方面有著巨大的應(yīng)用前
旦
ο現(xiàn)有GNSS信號接收技術(shù)面向的是信號功率較強的GNSS直射信號，采用普通增益的寬波束右旋圓極化天線就能夠滿足要求。然而，GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號經(jīng)過海面反射后，發(fā)生了兩方面的變化一是信號功率大大衰減，變成了微弱衛(wèi)星導(dǎo)航信號；二是信號極性發(fā)生了變化，從右旋圓極化信號變?yōu)榱俗笮龍A極化信號。同時，由于GNSS衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星之間的相對運動，GNSS信號的海洋反射點位置時刻在變動。因此，如何有效可靠的接收經(jīng)過海面反射后的微弱GNSS衛(wèi)星信號是GNSS-R海洋遙感探測方面首要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種GNSS海洋反射信號接收系統(tǒng)及接收方法，能夠穩(wěn)定有效的接收微弱的GNSS海洋反射信號。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種GNSS海洋反射信號接收系統(tǒng)，包括N元陣列天線、 射頻前端模塊、L波段變頻組件、實時校準模塊、A/D、DDC、數(shù)字波束形成模塊、合成信號數(shù)字上變頻模塊和D/A ；N元陣列天線接收微弱海洋反射信號；射頻前端模塊安置于N元陣列天線上，在實時接收信號模式下，接收N元陣列天線信號，進行濾波、放大后送入L波段變頻組件；在校準模式下，接收實時校準模塊輸出的校準信號，進行濾波、放大后送入L波段變頻組件；L波段變頻組件進行放大和下變頻；A/D將L波段變頻組件輸出的下變頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入DDC中；DDC進行數(shù)字下變頻處理，得到N路基帶信號，并將N路基帶信號送入數(shù)字波束形成模塊；數(shù)字波束形成模塊，有實時接收信號模式和校準模式兩種工作模式，在校準模式下，數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊產(chǎn)生N路幅度和相位相等的標(biāo)準信號，送入射頻前端模塊；N路校準信號經(jīng)過射頻前端模塊、L波段下變頻組件、A/D、DDC后變?yōu)镹路基帶信號，送入數(shù)字波束形成模塊；數(shù)字波束形成模塊根據(jù)此時輸入的N路基帶信號計算校正系數(shù)；校正系數(shù)計算完成后，數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊，關(guān)閉校準信號的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)入實時接收信號模式；在實時接收信號模式下，根據(jù)海洋反射信號接收機計算的衛(wèi)星反射點軌跡和N元陣列天線波束指向的關(guān)系，利用空域濾波器處理由DDC輸出的N路基帶信號， 通過改變空域濾波器權(quán)值，使期望方向的信號通過空域濾波器，同時抑制其他方向的信號， 從而實時調(diào)整N元陣列天線的波束指向，使衛(wèi)星的鏡面反射點始終在N元陣列天線方向圖的主瓣內(nèi)，完成數(shù)字波束合成；實時校準模塊產(chǎn)生N路幅度和相位相等的標(biāo)準信號，送入射頻前端模塊；合成信號數(shù)字上變頻模塊，將數(shù)字波束合成信號變換為數(shù)字中頻信號；D/A將合成信號數(shù)字上變頻模塊變換后的數(shù)字中頻信號變換為模擬中頻信號。一種GNSS海洋反射信號接收方法，實現(xiàn)步驟如下(1)當(dāng)外部的波束指向控制信號發(fā)生改變時，轉(zhuǎn)入校準模式，由數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊產(chǎn)生N路校準信號，送入射頻前端模塊；此時，射頻前端模塊檢測到N路校準信號的有效性，切斷從N元陣列天線輸入的實際信號；N路校準信號經(jīng)過射頻前端模塊、L波段變頻組件、A/D、DDC后，變?yōu)镹路基帶信號，進入數(shù)字波束形成模塊；數(shù)字波束形成模塊根據(jù)此時輸入的N路基帶信號計算校正系數(shù)；校正系數(shù)計算完成后，數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊，關(guān)閉校準信號的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)入實時接收信號模式；(2)在實時接收信號模式下，海洋反射信號依次經(jīng)過N元陣列天線、射頻前端模塊、L波段變頻組件、A/D、DDC后變?yōu)镹路基帶信號，送入數(shù)字波束形成模塊；數(shù)字波束形成模塊首先根據(jù)在校準模式下計算的校準系數(shù)對N路基帶信號進行幅度相位校正，消除前端各模塊給N路基帶信號幅度相位帶來的不一致性，然后根據(jù)后端海洋反射信號接收機計算的衛(wèi)星反射點軌跡和N元陣列天線波束指向的關(guān)系，采用空域濾波技術(shù)將N路基帶信號進行數(shù)字波束形成，將合成信號送入合成信號上變頻模塊；合成信號上變頻模塊將合成信號進行上變頻處理，變?yōu)閿?shù)字中頻信號，送入D/A ；D/A將數(shù)字中頻信號變換為模擬中頻信號輸出。一種GNSS海洋反射信號接收方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下(1)當(dāng)外部的波束指向控制信號發(fā)生改變時，轉(zhuǎn)入校準模式，由數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊產(chǎn)生N路校準信號，送入射頻前端模塊；此時，射頻前端模塊檢測到N路校準信號的有效性，切斷從N元陣列天線輸入的實際信號；N路校準信號經(jīng)過射頻前端模塊、L波段變頻組件、A/D、DDC后，變?yōu)镹路基帶信號，進入數(shù)字波束形成模塊；數(shù)字波束形成模塊根據(jù)此時輸入的N路基帶信號計算校正系數(shù)；校正系數(shù)計算完成后，數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊，關(guān)閉校準信號的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)入實時接收信號模式；(2)在實時接收信號模式下，海洋反射信號依次經(jīng)過N元陣列天線、射頻前端模塊、L波段變頻組件、A/D、DDC后變?yōu)镹路基帶信號，送入數(shù)字波束形成模塊；數(shù)字波束形成模塊首先根據(jù)在校準模式下計算的校準系數(shù)對N路基帶信號進行幅度相位校正，消除前端各模塊給N路基帶信號幅度相位帶來的不一致性，然后根據(jù)后端海洋反射信號接收機計算的衛(wèi)星反射點軌跡和N元陣列天線波束指向的關(guān)系，采用空域濾波技術(shù)將N路基帶信號進行數(shù)字波束形成，將合成信號送入合成信號上變頻模塊；合成信號上變頻模塊將合成信號進行上變頻處理，變?yōu)閿?shù)字中頻信號，送入D/A ;D/A將數(shù)字中頻信號變換為模擬中頻信號輸出。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是(1)本發(fā)明采用實時校準和數(shù)字波束形成技術(shù)，根據(jù)海洋反射信號接收機計算的衛(wèi)星反射點軌跡和N元陣列天線波束指向的關(guān)系，實時調(diào)整天線的波束指向，使N元陣列天線方向圖實時對準GNSS信號的海洋反射點位置，進一步提高了接收海洋反射信號的增益， 使系統(tǒng)能夠有效可靠的接收微弱海洋反射信號。(2)本發(fā)明采用N元陣列天線，提高了天線增益，從而能夠接收微弱海洋反射信號。(3)本發(fā)明采用實時校準模塊對射頻前端模塊、L波段變頻組件、A/D和DDC帶來的基帶信號幅度和相位的不一致性進行校正，消除基帶信號幅度和相位的不一致性給后端處理帶來的測量誤差。


圖1為本發(fā)明原理框圖；圖2為本發(fā)明射頻前端模塊組成框圖；圖3為本發(fā)明L波段變頻組件組成框圖；圖4為本發(fā)明通道校準系數(shù)獲得原理圖；圖5為本發(fā)明空域濾波器原理圖；圖6為本發(fā)明數(shù)字波束形成模塊實現(xiàn)原理圖；圖7為本發(fā)明數(shù)字波束形成模塊數(shù)學(xué)仿真圖。
具體實施例方式(一 )接收系統(tǒng)組成如圖1所示，本發(fā)明接收系統(tǒng)包括N元陣列天線、射頻前端模塊、L波段變頻組件、 實時校準模塊、A/D、DDC、數(shù)字波束形成模塊、合成信號數(shù)字上變頻模塊和D/A。(I)N元陣列天線由于GNSS信號在海洋表面反射后，信號功率被大幅度衰減，運行在500km至800km 高度LEO衛(wèi)星上的海洋反射接收機所接收到的海洋反射信號功率比直射信號功率低30dB 以上，這就要求海洋反射天線具有較高的增益。同時，導(dǎo)航衛(wèi)星信號直射到海面后產(chǎn)生的反射波受海面粗糙度等因素的影響，導(dǎo)航衛(wèi)星信號的反射點是一個橢圓形區(qū)域，海洋反射天線波束寬度必須覆蓋這一反射區(qū)，才能使后端系統(tǒng)正常工作。為了滿足上述需要，海洋反射天線選擇低剖面的微帶天線陣列方案。根據(jù)二維平面陣列天線的基本原理，一個維度方向上陣元數(shù)越多，天線總增益越高，但在這個維度方向上的方向圖波束越窄。因此在設(shè)計時需要滿足天線對增益的需求，又得考慮天線實際使用中的波束寬度。經(jīng)過大量試驗，本發(fā)明的N元陣列天線采用2X16微帶陣列，并進行一維數(shù)字波束掃描，這樣就可以兼顧增益和掃描覆蓋的要求。而且N元陣列天線為單收天線，其工作頻段相對較窄，適宜于采用數(shù)字波束控制的方式進行掃描。(2)射頻前端模塊
射頻前端模塊的組成框圖如圖2所示。射頻前端模塊包括能切換正常和校準工作模式的開關(guān)模塊、前端濾波模塊和低噪聲放大模塊三部分。開關(guān)模塊用于切換正常工作模式和標(biāo)準工作模式；在校準工作模式下，射頻前端模塊的輸入信號為實時校準模塊產(chǎn)生的 N路幅度和相位相等的標(biāo)準信號，而正常工作模式下，射頻前端模塊的輸入信號為從N元陣列天線輸出的信號。前端濾波模塊用于濾除外部的干擾信號。低噪聲放大模塊對前端濾波模塊輸出的信號進行放大。(3) L波段變頻組件L波段變頻組件完成信號的下變頻、濾波和放大。圖3為L波段變頻組件的組成框圖。L波段信號首先經(jīng)過放大器A進行放大，經(jīng)過濾波器A濾除帶外干擾信號；溫補晶振、 PLL和放大器B組成本振信號產(chǎn)生器；本振信號與濾波器A輸出的信號進行混頻處理，混頻處理將信號頻譜進行了搬移，除產(chǎn)生期望的中頻信號外，還會產(chǎn)生鏡像干擾信號；混頻器輸出的信號經(jīng)過濾波器B濾除鏡像干擾信號，輸出期望的中頻信號，送入自動增益控制模塊； 自動增益控制模塊采用檢波電路和定向耦合器對期望的中頻信號幅度進行調(diào)整；濾波器C 對自動增益控制模塊輸出的中頻信號進行濾波處理，濾除自動增益模塊中檢波電路和定向耦合器對期望的中頻信號產(chǎn)生的干擾。(4)實時校準模塊在校準模式下，數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊產(chǎn)生N路幅度和相位相等的標(biāo)準信號，送入射頻前端模塊。標(biāo)準信號經(jīng)過射頻前端模塊、L波段變頻組件、A/D和DDC 后，變?yōu)镹路基帶信號。N路基帶信號送入數(shù)字波束形成模塊，在數(shù)字波束形成模塊中對N 路基帶信號進行測量，得到幅度相位差，計算出校準系數(shù)。在實時接收信號模式下，數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊不產(chǎn)生校準信號， 實時校準模塊不工作。(5)A/DA/D為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它直接決定了模擬信號的量化精度、線性度和最大輸入帶寬。本發(fā)明對A/D的選擇考慮了以下因素a)轉(zhuǎn)換速度，決定了最大采樣率；b)模擬輸入頻率上限，決定了系統(tǒng)能夠處理的模擬信號的最高頻率；c)轉(zhuǎn)換位數(shù)，決定了輸入信號的最大無失真動態(tài)范圍；d)線性度，決定了輸入信號的諧波分量；e)輸出電平標(biāo)準，決定了后續(xù)器件的接口兼容性；f)輸入模擬信號幅度，決定了靈敏度；g)功耗，外圍電路等，決定了電路設(shè)計的難度。(6) DDCDDC為數(shù)字下變頻器，其實現(xiàn)方式主要有FPGA和ASIC兩種方式。目前數(shù)字下變頻器主流實現(xiàn)方案有FPGA和ASIC兩種方式。FPGA擅長并行運算和流水線處理，能夠滿足DDC對高速處理需求；另外，由于FPGA 設(shè)計的靈活性，使DDC模塊能根據(jù)具體系統(tǒng)需求量身定制，實現(xiàn)資源和性能的優(yōu)化，特別適合一些需要高帶寬或特殊采樣率的場合。缺點是，參數(shù)調(diào)整的靈活性差難以實現(xiàn)可變帶寬， 程序的效率和可靠性難以保證，開發(fā)調(diào)試難度大，另外占用FPGA資源較多。
由于DDC在無線電系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，IC廠商推出了各種各樣的DDC專用芯片 (ASIC)。ASIC的性能經(jīng)過嚴格驗證，其可靠性和穩(wěn)定性相對FPGA程序而言要高得多；用戶可靈活配置其內(nèi)部參數(shù)以實現(xiàn)不同指標(biāo)。但ASIC的結(jié)構(gòu)固定，處理性能有一定局限，無法應(yīng)用于特殊場合。本系統(tǒng)對DDC的處理帶寬要求并不高，F(xiàn)PGA和ASIC都可實現(xiàn)，但ASIC實現(xiàn)可靠性穩(wěn)定性更高，因此選擇了采用專用DDC芯片來實現(xiàn)數(shù)字下變頻。(7)空域濾波器實現(xiàn)原理本發(fā)明接收系統(tǒng)利用空域濾波器處理DDC輸出的N元基帶信號，通過改變?yōu)V波器權(quán)值，可使某些期望方向的信號通過濾波器，同時抑制其他方向的信號。波束形成原理如圖 5所示。M元均勻線陣的接收信號作為M抽頭橫向濾波器的輸入，濾波器權(quán)向量可表示為w = [w0 W1H-Wn-Jt平面波s (η)以角度θ入射到陣列上，以第一個陣元作為參考陣元，則陣列接收信號可以表示為χ (n) = a ( θ ) s (η)其中均勻線陣的導(dǎo)向向量a(6) = []a(6) = [1 一 …e_J 崎]τΦ = 2 π dsin θ / λ。空域濾波器的輸出為y (η) = wHx (η) = wHa ( θ ) s (η)從上式可以看出，若取權(quán)向量w滿足/a( θ) =0，那么y(n) = 0上式表明θ方向的信號被抑制，不能通過濾波器。如果令權(quán)向量w滿足W = a(e)，那么y(n) = aH( θ )a( θ ) s (η) = Ms (η)上式表明θ方向的信號可以通過濾波器，并被放大M倍。所以，通過改變空域濾波器的權(quán)向量w，可使某些方向的信號通過濾波器，而抑制另一些方向的信號，或改變輸出信號的幅度。假設(shè)已知空余濾波器權(quán)向量W，定義空域濾波的方向圖為輸出信號與輸入信號的幅度之比為
權(quán)利要求
1.一種GNSS海洋反射信號接收系統(tǒng)，其特征在于包括N元陣列天線、射頻前端模塊、 L波段變頻組件、實時校準模塊、A/D、DDC、數(shù)字波束形成模塊、合成信號數(shù)字上變頻模塊和 D/A；N元陣列天線接收微弱海洋反射信號；射頻前端模塊安置于N元陣列天線上，在實時接收信號模式下，接收N元陣列天線信號，進行濾波、放大后送入L波段變頻組件；在校準模式下，接收實時校準模塊輸出的校準信號，進行濾波、放大后送入L波段變頻組件；L波段變頻組件進行放大和下變頻；A/D將L波段變頻組件輸出的下變頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入DDC中；DDC進行數(shù)字下變頻處理，得到N路基帶信號，并將N路基帶信號送入數(shù)字波束形成模塊；數(shù)字波束形成模塊，有實時接收信號模式和校準模式兩種工作模式，在校準模式下，數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊產(chǎn)生N路幅度和相位相等的標(biāo)準信號，送入射頻前端模塊；N路校準信號經(jīng)過射頻前端模塊、L波段下變頻組件、A/D、DDC后變?yōu)镹路基帶信號，送入數(shù)字波束形成模塊；數(shù)字波束形成模塊根據(jù)此時輸入的N路基帶信號計算校正系數(shù)；校正系數(shù)計算完成后，數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊，關(guān)閉校準信號的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)入實時接收信號模式；在實時接收信號模式下，根據(jù)海洋反射信號接收機計算的衛(wèi)星反射點軌跡和N元陣列天線波束指向的關(guān)系，利用空域濾波器處理由DDC輸出的N路基帶信號，通過改變空域濾波器權(quán)值，使期望方向的信號通過空域濾波器，同時抑制其他方向的信號，從而實時調(diào)整N元陣列天線的波束指向，使衛(wèi)星的鏡面反射點始終在N元陣列天線方向圖的主瓣內(nèi)，完成數(shù)字波束合成；實時校準模塊產(chǎn)生N路幅度和相位相等的標(biāo)準信號，送入射頻前端模塊；合成信號數(shù)字上變頻模塊，將數(shù)字波束合成信號變換為數(shù)字中頻信號；D/A將合成信號數(shù)字上變頻模塊變換后的數(shù)字中頻信號變換為模擬中頻信號。
2.—種GNSS海洋反射信號接收方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下(1)當(dāng)外部的波束指向控制信號發(fā)生改變時，轉(zhuǎn)入校準模式，由數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊產(chǎn)生N路校準信號，送入射頻前端模塊；此時，射頻前端模塊檢測到N路校準信號的有效性，切斷從N元陣列天線輸入的實際信號；N路校準信號經(jīng)過射頻前端模塊、L波段變頻組件、A/D、DDC后，變?yōu)镹路基帶信號，進入數(shù)字波束形成模塊；數(shù)字波束形成模塊根據(jù)此時輸入的N路基帶信號計算校正系數(shù)；校正系數(shù)計算完成后，數(shù)字波束形成模塊控制實時校準模塊，關(guān)閉校準信號的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)入實時接收信號模式；(2)在實時接收信號模式下，海洋反射信號依次經(jīng)過N元陣列天線、射頻前端模塊、L波段變頻組件、A/D、DDC后變?yōu)镹路基帶信號，送入數(shù)字波束形成模塊；數(shù)字波束形成模塊首先根據(jù)在校準模式下計算的校準系數(shù)對N路基帶信號進行幅度相位校正，消除前端各模塊給N路基帶信號幅度相位帶來的不一致性，然后根據(jù)后端海洋反射信號接收機計算的衛(wèi)星反射點軌跡和N元陣列天線波束指向的關(guān)系，采用空域濾波技術(shù)將N路基帶信號進行數(shù)字波束形成，將合成信號送入合成信號上變頻模塊；合成信號上變頻模塊將合成信號進行上變頻處理，變?yōu)閿?shù)字中頻信號，送入D/A ；D/A將數(shù)字中頻信號變換為模擬中頻信號輸出。
全文摘要
一種GNSS海洋反射信號接收系統(tǒng)及接收方法，包括N元陣列天線、射頻前端模塊、L波段變頻組件、實時校準模塊、A/D、DDC、數(shù)字波束形成模塊、合成信號數(shù)字上變頻模塊和D/A，接收系統(tǒng)及方法可以實現(xiàn)通道的幅相自校準功能，可以根據(jù)衛(wèi)星反射點位置控制天線波束指向。通過實際工程實現(xiàn)及試驗結(jié)果表明，本發(fā)明接收系統(tǒng)及接收方法性能穩(wěn)定，可以穩(wěn)定可靠的接收海洋反射信號，不僅可應(yīng)用于GNSS海洋遙感領(lǐng)域，還可應(yīng)用于GNSS-R土壤濕度測量等利用GNSS反射信號進行測量的領(lǐng)域，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
文檔編號G01S19/14GK102520419SQ20111037203
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者何子述, 劉寧民, 張勇, 李興國, 李時良, 李朝海, 李瀟, 李燁, 杜曉勇, 熊松寧, 王爍, 符養(yǎng), 郭粵寧, 陸華 申請人:航天恒星科技有限公司